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목차
Contents 12
제1장 서론 13
1. 연구의 배경 14
2. 연구의 목적 및 필요성 14
제2장 연구내용 및 연구방법 16
1. 이론적 배경 17
1.1. 혐기성소화의 원리 17
1.2. 질소제거 원리 28
2. 연구 내용 39
3. 연구 방법 39
3.1. 연구진행 추진현황 39
3.2. 연구시설 및 개요 40
3.3. 연구 방법 49
제3장 연구결과 52
1. 혐기성소화조 Pilot Test 53
1.1. 처리대상수의 성상 53
1.2. 운전결과 55
1.3. 경제성 73
2. 아질산화공정 Lab Test(위탁연구기관) 75
2.1. Batch Test 결과 75
2.2. 음폐수의 성상 및 영향 75
2.3. 온도에 따른 암모니아 소비율 78
2.4. Lab scale 반응기의 암모니아성 질소 제거율 78
2.5. C/N비 변화에 따른 질소제거율 79
2.6. 유기물질의 거동 81
3. 결론 83
3.1. 혐기성소화조 교반 기술 83
3.2. 아질산화 공정을 이용한 저C/N비 고농도 질소폐수 제거 83
참고문헌 84
판권기 85
〈표 2-1〉 탈질공정에 사용 가능한 화학탄소원 35
〈표 2-2〉 탄소원에 따른 θ와 V20값(이미지참조) 35
〈표 3-1〉 대상 처리수의 성상 53
〈표 3-2〉 유입수 및 처리수의 시험분석결과 및 처리효율 57
〈표 3-3〉 BOD 제거효율 58
〈표 3-4〉 CODMn 제거효율 59
〈표 3-5〉 SS 제거효율 60
〈표 3-6〉 T-N 제거효율 61
〈표 3-7〉 T-P 제거효율 62
〈표 3-8〉 TS 제거효율 63
〈표 3-9〉 VS 제거효율 64
〈표 3-10〉 단위공정별 BOD 농도변화 66
〈표 3-11〉 단위공정별 CODMn 농도변화(이미지참조) 67
〈표 3-12〉 단위공정별 SS 농도변화 68
〈표 3-13〉 단위공정별 TS 농도변화 69
〈표 3-14〉 단위공정별 VS 농도변화 70
〈표 3-15〉 단위공정별 T-N 농도변화 71
〈표 3-16〉 단위공정별 T-P 농도변화 72
〈표 3-17〉 시설비 비교(200㎥/일 기준) 73
〈표 3-18〉 유지관리비 비교(200㎥/일 기준) 73
〈표 3-19〉 처리단가 비교(200㎥/일 기준) 74
〈표 3-20〉 Batch Test 결과 75
〈표 3-21〉 혐기성처리를 거친 음폐수의 성상 76
〈그림 2-1〉 혐기성소화에 의한 유기물의 분해단계 17
〈그림 2-2〉 메탄생성단계 및 각 단계에서 분해대상물의 변화과정 18
〈그림 2-3〉 고온 및 중온발효에 있어서 경과일수에 따른 용적부하의 변동 23
〈그림 2-4〉 온도변화에 따른 가스생성량의 상대속도 25
〈그림 2-5〉 2상법의 산발효조와 메탄발효조의 최적 pH조건 26
〈그림 2-6〉 질소 순환 29
〈그림 2-7〉 온도변화에 따른 SRT변화 38
〈그림 2-8〉 아질산화 운전의 최적 조건 38
〈그림 2-9〉 Pilot Plant 개요 40
〈그림 2-10〉 Pilot Plant 전경 41
〈그림 2-11〉 아질산화 공정 모식도 46
〈그림 2-12〉 반응기 평면배치도 46
〈그림 2-13〉 아질산화공정을 도입한 Lab-scale 반응조 전경 47
〈그림 3-1〉 대상 처리수의 오염물질변화(BOD, TCODMn, SCODMn)(이미지참조) 54
〈그림 3-2〉 대상 처리수의 오염물질변화(SS, TS, VS) 54
〈그림 3-3〉 대상 처리수의 오염물질변화(T-N, T-P, NH₄-N) 55
〈그림 3-4〉 연구기간중 유입유량 변화 56
〈그림 3-5〉 BOD 농도 및 제거효율 변화 58
〈그림 3-6〉 CODMn 농도 및 제거효율 변화(이미지참조) 59
〈그림 3-7〉 SS 농도 및 제거효율 변화 60
〈그림 3-8〉 T-N 농도 및 제거효율 변화 61
〈그림 3-9〉 T-P 농도 및 제거효율 변화 62
〈그림 3-10〉 TS 농도 및 제거효율 변화 63
〈그림 3-11〉 VS 농도 및 제거효율 변화 64
〈그림 3-12〉 소화효율 변화 65
〈그림 3-13〉 공정부산물인 소화가스 발생량 변화 65
〈그림 3-14〉 단위공정별 BOD 농도변화 66
〈그림 3-15〉 단위공정별 CODMn 농도변화 67
〈그림 3-16〉 단위공정별 SS 농도변화 68
〈그림 3-17〉 단위공정별 TS 농도변화 69
〈그림 3-18〉 단위공정별 VS 농도변화 70
〈그림 3-19〉 단위공정별 T-N 농도변화 71
〈그림 3-20〉 단위공정별 T-P 농도변화 72
〈그림 3-21〉 음폐수를 주입한 반응기에서의 유입수와 각 반응조의 pH변화 76
〈그림 3-22〉 합성폐수와 음폐수를 사용한 반응조의 MLVSS농도 비교 77
〈그림 3-23〉 회분식 실험을 통한 온도에 따른 암모니아성 질소와 pH의 변화 78
〈그림 3-24〉 음폐수를 유입한 Lab scale 반응기의 암모니아성 질소제거 효율 79
〈그림 3-25〉 합성폐수와 음폐수를 사용한 반응기의 유입수와 유출수의 총 질소 농도 비교 80
〈그림 3-26〉 SCOD/NH4+-N의 변화에 따른 총 질소 제거율(이미지참조) 81
〈그림 3-27〉 TCODcr(Total chemical oxygen demand)의 농도의 변화를 통하여 관찰한 반응기의 유기물 제거효율 82
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I. 제목
안산시 음식물쓰레기 탈리액의 안정적 처리를 위한 혐기성 소화조 교반 기술
II. 연구의 목적 및 필요성
기존 음식물쓰레기를 포함한 유기성폐기물의 처리방식은 퇴비화등 재활용, 해양투기, 소각, 매립 등의 방식으로 처리되어져 왔다. 그러나 향후 해양투기금지 등의 국제적인 협약에 의해 처리방식에 대한 고민과 처리단가 상승 등의 경제적인 문제에 부딪히게 되었다. 이에 따라, 음식물쓰레기를 포함한 유기성폐기물의 주된 처분방식은 향후 퇴비화와 같은 자원화 및 혐기성소화를 통한 바이오가스의 생산과 같은 에너지화로 집중될 것으로 판단된다.
특히 음식물 쓰레기 탈리액은 음식물 쓰레기의 사료화, 퇴비화과정에서 염분제거를 위한 세척수와 음식물 함유 수분 등이 혼합된 폐수로 재활용 과정에서 지속적으로 발생하며 쓰레기 탈리액의 50% 이상이 해양투기 되고 있고 일부는 하수처리장에서 병합처리되고 있으나 앞서 언급한 바와 같이 해양오염방지법 강화에 따라 2012년 이후 해양투기의 전면 금지가 예상되므로 육상에서의 처리방안이 시급한 실정이다. 음식물 쓰레기 탈리액은 고농도의 유기물과 질소를 함유하고 있어서 호기성 처리보다는 혐기성 처리를 통해 처리비용을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 메탄 발생을 통하여 부수적으로 에너지 회수를 도모할 수 있다. 혐기성 처리를 위한 혐기성 소화조에는 표준 소화법, 고율 소화법, 2단 고율 소화법, 혐기성 접촉 공정 등이 있다. 하지만, 각각의 소화조에는 스컴층을 형성하거나, 소화슬러지의 침전이 잘 되지 않고, 경제성 측면에서도 많은 문제점들을 가지고 있다.
따라서 본 연구에서는 앞서 언급한 문제점들을 해결하기 위해 2상 고온 혐기성 소화조 즉, 혐기성 소화 과정중 산발효 공정과 메탄 발효 공정을 분리하여 각 공정별 적용미생물의 상태를 최적화시키고 순환슬러지에 의한 내부교반으로 교반효율을 증대 시킬 수 있으며, 경제적인 측면에서도 이점이 있는 본 기술을 사용할 것이다.
또한, 혐기성 소화액의 경우 가용한 유기물이 혐기성 소화과정을 거쳐 대부분 메탄으로 전환이 이루어지기 때문에 C/N비가 매우 낮은 특성을 가진다. 음식물의 경우 혐기성소화가 적절하게 이루어졌을 경우 BOD 5,000mg/L, 질소 2,000~3,000mg/L 정도의 농도를 갖는다. 따라서 질소를 제거하기 위해 요구되는 적정 C/N비인 3.5~5, 대비 2.0 정도의 C/N비를 가짐으로써 탈질을 위한 유기탄소원이 부족하여 기존의 질소제거 공법을 적용하기에는 적정 유기물이 절대적으로 부족하여 대체탄소원인 메탄올 등을 공급할 필요가 있어 유지관리비가 많이 소요된다. 국내의 생물학적 질소제거 기술은 A2O계열, SBR계열, 담체 및 MEDIA계열로 구분이 될 수 있고 개발된 기술도 30여개가 존재하고 있다. 하지만, 하수에 대부분이 적용된 기술로 혐기성소화 처리된 폐수의 처리에는 부적절한 기술로 판단되며 대부분의 T-N제거 능력도 최대 70%정도에 머물러 고농도 질소폐수처리에는 한계가 있다.
본 연구에서는 혐기성 소화조의 교반 기술 뿐만이 아니라 음식물 쓰레기 탈리액의 질소제거 공정을 연구할 것이다. 제안 공정은 아질산화 공정으로서 산소소모량의 25%를 절감하고 탈질에 소모되는 유기물질의 40%를 감소시킬 수 있는 방법을 선정하였다. 아질산화 공법은 최적온도가 35℃로서 중온 혐기성소화액의 온도와 일치하기 때문에 별동의 가온이 없어도 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
III. 연구의 내용 및 범위
■ Pilot plant를 통한 음식물쓰레기 및 탈리액의 혐기성소화조 효율 개선 기술(교반 기술)개발
■ 혐기성소화조 성능 향상을 바탕으로 생산되는 바이오가스의 반월, 시화단지내 에너지 및 연료화로의 활용방안 분석
■ 발생 바이오가스의 에너지 및 연료화를 통한 재이용 조사
■ 고농도 유기성폐수 및 유기성폐기물의 혐기성 소화후 배출되는 소화슬러지 탈리액은 고농도 질소를 함유한 저 C/N비의 폐수로 하수처리장 적정 연계처리수질 또는 직방류 수준(방류수 "나"기준)의 수질 확보하기 위한 질소제거 기술의 연계 기술 개발
■ 처리 시설비와 운전에 따른 경제성 검토
IV. 연구결과
■ 혐기성소화조 교반 기술
혐기성소화조내 수리학적으로 배열된 배관 및 노즐에 의해 소화조내를 교반하는 기술로 혐기성소화 미생물과 기질과의 접촉능을 높이고, 스컴 및 Dead Zone 형성을 최소화하여 유기물 제거 및 소화효율을 극대화하기 위한 목적임.
- 중간 연구 결과 총고형물(TS) 제거효율은 69.5%, 유기물(VS) 제거효율 평균 80.8%로 조사됨.
- 소화효율은 평균 79.4%의 높은 효율을 나타내었음.
- 소화가스발생량은 1,140N㎥/제거VSkg로 조사됨.
중간 연구 결과 소화효율이 국내 하수처리장 소화조 소화효율 대비 2배 이상 높은 효율을 나타내는 것으로 조사됨
■ 아질산화 공정을 이용한 저C/N비 고농도 질소폐수 제거
- 음폐수는 높은 농도의 유기물, 암모니아성 질소와 Alkalinity를 나타냈으며 이는 외부탄소의 공급을 줄일 수 있었고 Alkalinity의 보충이 없이 제1폭기조에 아질산화균의 축적에 적합한 7~7.5정도의 pH를 유지할 수 있었다.
- 온도의 변화에 따른 회분식 실험에서 35℃까지 온도가 증가할수록 암모니아 산화율이 높았고 40℃에서 암모니아 산화율이 감소되었다. 암모니아의 제거는 pH의 영향을 받았으며 6이하의 낮은 pH에서는 암모니아가 잘 제거되지 않았다. 때문에 아질산화 공정에 적합한 온도는 30~35℃일 것이고 pH는 7이상으로 유지하여야 한다.
- 암모니아성 질소에 대한 제거율은 70%까지 가능한 것으로 나타났으며 유출 수에는 질산성 질소가 증가하였다. 아질산의 생성을 방지하기 위하여 제2폭기조의 질산화균의 성장도 고려하여 개선하여 할 것이다.
- 유입수의 SCOD/NH₄+-N의 변화에 따른 총 질소 제거효율을 측정하고 음폐수의 처리에서 C/N비가 줄어들 때 질소제거율이 향상되었다. 아질산화공정이 C/N비의 영향을 받을 것이며 C/N가 낮을수록 아질산화균의 성장에 더 적합함으로 운전시 무산소조의 유기물제거 효율을 개선하여 폭기조로 유입되는 유기물의 농도를 감소하여야 한다.
- 10일 SRT로 운전하는 기간 MLVSS의 농도가 높지 않았으며 침전조에서 부상슬러지가 발생하여 유출수의 유기물 농도가 높아지게 되었다. 10일 이상의 SRT는 아질산화공정에 적합하지 않으며 SRT를 10일 이하로 운전하면서 더 적합한 조건을 찾아보아야 하며 침전조의 설계를 개선하여야 한다.
V. 기대효과
첫째, 본 기술은 기계식 교반 또는 소화가스 교반이 아닌 외부 순환슬러지에 의해 소화조내에 수리학적으로 설치된 노즐에 의한 교반방식으로 교반효율의 극대화 및 최적의 온도유지, 혐기성소화 미생물의 기질과의 접촉성능을 높여 소화효율을 극대화함으로써 유기물 감량을 높여 바이오가스의 생산을 증대시키고 발생 슬러지량을 감소시킬 수 있다.
둘째, 유기물 감량에 따른 메탄가스 발생증대로 기존의 화석에너지의 대체에너지원으로 친환경적인 에너지원으로 이용할 수 있다.
셋째, 저 C/N비 소화폐액에 아질산화 공정을 도입함으로써 기존의 생물학적 질소 제거 공정에 비해 저에너지, 저비용으로 직 방류수준의 수질을 달성할 수 있어 재이용수로서의 가치를 충분히 가질 수 있다.
VI. 연구결과의 활용계획(앞으로 할 일)
기존 혐기성 소화조의 교반방식은 대부분 기계식 교반 또는 소화가스 교반인데, 기계식 교반의 경우 교반효율이 높은 반면, 동력비 등 유지 및 관리비용이 많이 소요되며, 소화가스 교반은 교반효율이 낮으며, 유용한 가스를 교반에 사용하는 단점이 있다. 이에 반해 본 기술은 가온을 위한 순환슬러지를 소화조 내 수리학적으로 유체를 제어할 수 있는 노즐을 통해 교반효율을 높이고, 유지 및 관리비용을 최소화 할 수 있어, 혐기성소화조의 교반관련 분야에서 파급효과가 클 것으로 예상된다.
본 기술의 적용으로 유기물의 분해가 극대화되어 생산되는 바이오가스를 이용하여 열원 또는 전기를 생산하여 공정 내에서 소요되는 에너지를 자체 충당할 수 있다.
저 C/N비 소화폐액은 고농도의 질소를 함유하고 있어 질소제거에서 기존 생물학적 질소제거 공정에서는 많은 폭기가 필요하며, 또한 부족한 탄소원을 보충하기 위하여 다량의 메탄올을 소요하게 된다. 그러나 본 기술은 탈질을 위해 유기질소 또는 암모니아성 질소가 아질산성 질소를 거쳐 질산성 질소로 산화되는 단계를 1단계 줄임으로써 소요되는 송풍량과 메탄올 소요량을 각각 25%. 40%씩 줄일 수 있는 고농도 질소제거로 비슷한 성상의 폐수 또는 하수종말처리자의 고도처리에 응용이 가능한 기술이다.
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